La luce emessa da una particella luminescente è solitamente meno energetica della luce che assorbe. Alcune applicazioni richiedono che la luce emessa sia più energetica, ma questo cosiddetto processo di conversione è stato osservato solo in una piccola manciata di materiali. Xiaogang Liu dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e i suoi collaboratori sono ora riusciti ad ampliare l'elenco dei materiali di conversione, facilitando il percorso verso nuove applicazioni.

Le tradizionali particelle di conversione si distinguono per i loro livelli di energia equidistanti o "a scala" che i loro elettroni interni possono assumere. Le distanze pari consentono a un elettrone di essere promosso in energia molte volte consecutivamente, assorbendo molti fotoni dello stesso colore. Quando un elettrone che è stato promosso a un'alta energia finalmente si rilassa di nuovo allo stato di energia più bassa, emette un fotone che è più energico dei fotoni che lo hanno eccitato all'inizio.

Le nanoparticelle drogate con elementi del gruppo dei lantanidi della tavola periodica sono in grado di convertirsi, e sono utili per l'imaging biologico perché la loro emissione ad alta energia può essere chiaramente distinta dal rumore di fondo. Però, solo tre elementi della serie dei lantanidi sono efficienti alla conversione:erbio, tulio, e olmio. Questo elenco è così breve a causa dei requisiti simultanei che una particella di conversione verso l'alto mostra una struttura energetica elettronica simile a una scala, e anche emissione efficiente.

Liu e colleghi hanno risolto questo problema utilizzando diversi lantanidi per eseguire diverse fasi del processo di conversione. Gli elementi sensibilizzatori assorbono la luce incidente, e trasferire l'energia assorbita ad accumulatori vicini, i cui elettroni salgono a livelli energetici elevati. Quindi, l'energia immagazzinata negli accumulatori si trasferisce saltando attraverso molti migratori, fino al raggiungimento di un attivatore. Finalmente, l'attivatore rilascia un fotone ad alta energia.

Assegnando elementi diversi a ciascuna di queste quattro funzioni, i ricercatori sono stati in grado di alleggerire i requisiti su ogni singolo elemento. Inoltre, sono state evitate interazioni indesiderate tra diversi elementi separandoli spazialmente all'interno di una singola nanoparticella sferica che ha sensibilizzatori e accumulatori nel nucleo, attivatori nella shell e migratori sia nel core che nella shell.

Questo design ha permesso a Liu e al suo team di osservare uno spettro di colori dall'emissione convertita di europio, terbio, disprosio e samario (vedi immagine). Lo stesso approccio può anche consentire ad altri elementi di emettere in modo efficiente. “I nostri risultati possono portare a progressi nella biorilevazione ultrasensibile, "dice Liu, "e dovrebbe ispirare più ricercatori a lavorare in questo campo".